DE102016207650A1

DE102016207650A1 - Mikromechanischer Sensor und Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors

Info

Publication number: DE102016207650A1
Application number: DE102016207650.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Joerg Braeuer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-03
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2017-11-09

Abstract

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend: – wenigstens ein bewegliches asymmetrisch ausgebildetes Massenelement (10); wobei – ein gegenüber einer Zusatzmasse (Z) des Massenelements (10) angeordneter Leiterbahnbereich (14) in Teilbereiche partitioniert ist; wobei – ein erster Teilbereich mit einem definierten dritten Potential (CM) beaufschlagt wird; wobei – ein zweiter Teilbereich mit einem definierten vierten Potential (CS) beaufschlagt wird; und wobei – die Partitionierung des Leiterbahnbereichs (14) derart ausgebildet ist, dass bei einer Änderung der Potentiale (CM, CS) eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement (10) und dem Leiterbahnbereich (14) minimiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors.
Stand der Technik
Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Wafer Ebene (z-Richtung) werden vorzugsweise Wippen genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf dem Substrat fixierten gegen Elektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über eine Torsionsfeder mit der Unterlage verbunden. Sind die Massenstrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer z-Beschleunigung die Massestruktur relativ zur Torsionsfeder als Drehachse drehen. Eine solche Massendifferenz wird zum Beispiel durch eine Zusatzmasse, wie in den , gezeigt, hervorgerufen. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Derartige Beschleunigungssensoren sind aus zahlreichen Patentschriften bekannt, beispielsweise aus EP 0 244 581 und EP 0 773 443 B1 .
Diese Standardwippen sind einfach konstruiert und weit verbreitet, haben aber mehrere technische Probleme, die Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Offsetstabilität erschweren. Eine wesentliche Begrenzung der Offsetstabilität kann durch parasitäre elektrostatische Effekte hervorgerufen werden, die im Folgenden erläutert werden. Die bewegliche Struktur wird für die kapazitive Auswertung mit einer elektrischen Effektivspannung, zum Beispiel einer gepulsten elektrischen Rechteckspannung beaufschlagt. Im Bereich der Zusatzmasse wirken daher elektrostatische Kräfte zwischen der beweglichen Struktur und dem Substrat, sobald eine Potentialdifferenz zwischen beweglicher Struktur und dem Substrat auftritt. Diese Kräfte bzw. resultierenden Drehmomente führen zu einer parasitären Auslenkung der Wippe. Zur Minimierung der elektrostatischen Wechselwirkungen wird daher im Bereich der Zusatzmasse meistens eine zusätzliche Leiterbahnfläche auf dem Substrat angeordnet, die mit dem gleichen elektrischen Potential wie die bewegliche Struktur beaufschlagt wird, im Folgenden als Mittelmassenpotential oder CM-Potential bezeichnet.
Theoretisch kann dadurch Kräftefreiheit zwischen der Zusatzmasse und dem Substrat erreicht werden. In der Praxis können jedoch signifikante Oberflächenladungen bzw. effektive Oberflächenpotentiale auf der mit dem Substrat verbundenen Leiterbahnfläche und/oder an der Unterseite der beweglichen Struktur vorhanden sein, die noch immer zu parasitären Kräften und damit elektrischen Offsetsignalen des Sensors führen können. Besonders kritisch können diese Effekte sein, wenn sie sich über Temperatur oder Lebensdauer des Produkts ändern, da dies zu Offsetdriften führt, die nicht über den finalen Abgleich des Bauelements korrigiert werden können.
Zur Kompensation des Einflusses von Oberflächenpotentialen auf Beschleunigungssensoren wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, beispielsweise in DE 103 50536 B3 , DE 10 2006 057 929 A1 , DE 10 2008 040 567 A1 . All den in den genannten Druckschriften offenbarten Vorschlägen gemeinsam ist, dass das Problem der Offsetdriften über spezielle Maßnahmen und Vorkehrungen auf Schaltungsseite und/oder mit speziellen Testverfahren gelöst werden soll. Derartige Maßnahmen sind aber aufwendig und führen daher zu signifikanten Mehrkosten der Bauelemente.
Zur Verbesserung der parasitären Effekte aufgrund von Oberflächenpotentialen ohne Eingriff auf Schaltungsseite wurden vor einigen Jahren neuartige z-Sensordesigns und Technologien vorgeschlagen, die beispielsweise in DE 10 2009 000 167 A1 offenbart sind. Eine darin offenbarte Struktur zeigt eine wesentlich verbesserte Robustheit gegenüber Oberflächenpotentialen und deren Driften, da die Unterseite der beweglichen Struktur, die von der zweiten Siliziumschicht gebildet wird, gegenüber der Leiterbahnebene (erste Siliziumschicht) elektrisch symmetrisiert wurde. Die für die mechanische Empfindlichkeit erforderliche Massenasymmetrie wird hier über die dritte Siliziumschicht erreicht.
Allerdings sind auch diese stark verbesserten Strukturen wieder empfindlich auf Oberflächenpotentiale, wenn, wie in den 6 und 7 dargestellt, der Oberseite der dritten Siliziumschicht eine weitere elektrische leitfähige Ebene mit parasitären Kapazitäten und resultierenden parasitären Kräften gegenübersteht. In diesem Fall ist die weitere leitfähige Ebene die oberste Metallisierungsebene eines CMOS-Wafers, der als Verkappung auf den MEMS-Wafer (engl. micro-electro-mechanical system) gebondet wurde, siehe zum Beispiel die DE 10 2012 208032 A1 . Statt des CMOS-Wafers kann es sich hier aber auch um eine einfache Si-Sensorkappe mit geringem Abstand zur beweglichen Sensorstruktur oder eine Kappe mit einer oder mehreren Verdrahtungsebenen handeln.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber den oben genannten Konzepten verbesserten mikromechanischen Sensor bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Sensor, aufweisend:

wenigstens ein bewegliches asymmetrisch ausgebildetes Massenelement; wobei
– ein gegenüber einer Zusatzmasse des Massenelements angeordneter Leiterbahnbereich in Teilbereiche partitioniert ist; wobei
– ein erster Teilbereich mit einem definierten dritten Potential beaufschlagt wird; wobei
– ein zweiter Teilbereich mit einem definierten vierten Potential beaufschlagt wird; und wobei
– die Partitionierung des Leiterbahnbereichs derart ausgebildet ist, dass bei einer Änderung der Potentiale eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement und dem Leiterbahnbereich minimiert ist.

Im Ergebnis wird dadurch eine einfache Methode zur Ladungskompensation bereitgestellt, die keine aufwendige Implementierung in einer elektronischen Auswerteschaltung des Sensors erfordert.
Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen eines asymmetrisch ausgebildeten beweglichen Massenelements, wobei gegenüber einer Zusatzmasse des Massenelements ein Leiterbahnbereich ausgebildet wird;
– Beaufschlagen eines ersten Teilbereichs des Leiterbahnbereichs mit einem definierten dritten Potential;
– Beaufschlagen eines zweiten Teilbereichs des Leiterbahnbereichs mit einem definierten vierten Potential, wobei die Teilbereiche des Leiterbahnbereichs mit derartigen Potentialen beaufschlagt werden, dass bei einer Änderung der Potentiale eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement und dem Leiterbahnbereich minimiert ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Sensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors sieht vor, dass das erste Potential einem Potential des Massenelements entspricht und wobei das zweite Potential einem Potential eines Substrats, auf dem der Leiterbahnbereich angeordnet ist, entspricht. Auf diese Weise werden die Teilbereiche mit in der Praxis bewährten Potentialen beaufschlagt, die eine optimierte Ladungskompensation ermöglichen.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass ein oberhalb und/oder ein unterhalb der Zusatzmasse angeordneter Leiterbahnbereich partitioniert ist. Dadurch ist eine Ladungskompensation für unterschiedlich ausgebildete mikromechanische Sensoren ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass ein oberhalb der Zusatzmasse und ein unterhalb der Zusatzmasse angeordneter Teilbereich mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt wird. Auch auf diese Weise ist die vorgeschlagene Ladungskompensation für vielfältige mikromechanische Sensor-Topologien ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass ca. die Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs unterhalb der Zusatzmasse Z auf Mittelmassen-Potential und die andere Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs unterhalb der Zusatzmasse auf Substrat-Potential gelegt ist. Auf diese Weise wird die Partitionierung und Beaufschlagung des Leiterbahnbereichs mit praxisrelevanten Daten durchgeführt.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
1–3 bewegliche Massenelemente von herkömmlichen mikromechanischen z-Beschleunigungssensoren;
4 eine Abhängigkeit eines Offsets eines z-Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von einer Oberflächenspannung;
5 einen herkömmlichen z-Beschleunigungssensor mit volldifferentieller Elektrodenanordnung;
6, 7 Prinzipdarstellungen von vertikal integrierten z-Beschleunigungssensoren mit ASIC-Kappe;
8–11 herkömmliche Potentialbeaufschlagungen eines z-Beschleunigungssensors;
12 eine Abhängigkeit des Offsets eines z-Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von einer Oberflächenspannung;
13–15 verschiedene erfindungsgemäße Partitionierungen einer Leiterbahnfläche unterhalb einer beweglichen Zusatzmasse eines z-Beschleunigungssensors;
16 eine Abhängigkeit des Offsets eines z-Beschleunigungssensors in Abhängigkeit von einer Oberflächenspannung für unterschiedliche Partitionierungen des Teilbereichs gegenüber der Zusatzmasse;
17 einen vergrößerten Ausschnitt der Verläufe von 16; und
18 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt stark vereinfacht einen herkömmlichen mikromechanischen Sensor 100 in Form eines z-Beschleunigungssensors nach dem Wippenprinzip, wobei eine bewegliche Masse 10 in Form einer Wippe in einer Funktionsschicht (vorzugsweise eine Polysilizium-Funktionsschicht) des Sensors ausgebildet ist. Elektroden 11, 12 sind auf einem Substrat 1 angeordnet. Die bewegliche Masse 10 ist um eine Torsionsfeder 13 tordierbar und erzeugt auf diese Weise Kapazitätsänderungen, die erfasst werden und ein Maß für eine auf den Sensor 100 wirkende Beschleunigung sind. Dabei ist eine Masse des linken Wippenarms kleiner als eine Masse des rechten Wippenarms und der linke Wippenarm ist kürzer als der rechte Wippenarm. Im Bereich des rechten Wippenarms ist eine Zusatzmasse Z erkennbar, die eine Asymmetrie der gesamten Wippenmasse bewirkt. Unterhalb der Zusatzmasse Z ist ein Leiterbahnbereich 14 erkennbar, wobei aufgrund von elektrischen Ladungen zwischen dem Leiterbahnbereich 14 und der beweglichen Masse 10 eine elektrische Spannung U generiert werden kann, die eine unerwünschte Auslenkung der Wippe und damit einen Offset des mikromechanischen Sensors 100 zur Folge hat.
2 zeigt, dass sich bei einer Beschleunigung auf den Wippenarm der rechte (schwerere) Wippenarm nach unten und der linke (leichtere) Wippenarm nach oben bewegt, ausgelöst durch eine durch einen Pfeil angedeutete Beschleunigung. Die sich durch die Änderung der Wippe einstellenden Kapazitätsverhältnisse sind unterhalb der beiden Wippenarme formelmäßig angegeben.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Standard-Elektrodenpartitionierung eines herkömmlichen z-Beschleunigungssensors 100. Dabei wird ein erster Abschnitt der Wippe auf ein erstes Potenzial C1 gelegt, ein zweiter Abschnitt auf ein zweites Potential C2 und der Leiterbahnbereich 14 unterhalb der Zusatzmasse Z, der an den ersten Bereich angrenzt, auf das Mittelmassenpotential CM.
4 zeigt den Verlauf des Offsets Off (in einer beliebigen Einheit) als Funktion der elektrischen Oberflächenspannung U_Ofl, wobei die Oberflächenspannung U_Ofl aus einer Differenz von Oberflächenpotentialen gebildet ist. Man erkennt, dass der Kurvenverlauf näherungsweise parabelförmig ist. Liegt die elektrische Oberflächenspannung U_Ofl nahe Null, führen auch geringfügige Änderungen der Oberflächenspannung U_Ofl nur zu kleinen Driften des Offsets Off, da der Arbeitspunkt im Scheitelpunkt der Parabel liegt, wo die Steigung besonders gering ist. Betragen die Oberflächenspannungen U_Ofl hingegen zum Beispiel einige 100 mV, wächst die Empfindlichkeit auf Änderungen der Oberflächenspannung U_Ofl deutlich an, was sich durch eine größere Steigung der Parabel ausdrückt.
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen z-Beschleunigungssensors mit volldifferentieller Elektrodenanordnung. Die Struktur weist unbewegliche Bodenelektroden 11, 12 und unbewegliche Topelektroden 15, 16 auf. Schmale Streifen neben den Bodenelektroden 11, 12 fungieren als Leiterbahnzuführungen für die Topelektroden 15, 16. Die bewegliche Struktur der Wippe ist aus Elementen einer zweiten Si-Funktionsschicht und einer dritten Si-Funktionsschicht gebildet. Die linke Wippenseite ist im äußeren Bereich ausgehöhlt, während die rechte Seite massereicher ist, sodass eine Massendifferenz und eine Empfindlichkeit auf z-Beschleunigungen erzeugt wird. Auf der der Leiterbahnebene zugewandten Seite weisen die beiden Wippenseiten eine weitgehende Symmetrie auf. Dadurch sind Störeffekte aufgrund von Oberflächenladungen in ihrer Wirksamkeit unterdrückt.
Allerdings sind auch diese stark verbesserten Strukturen wieder empfindlich auf Oberflächenpotentiale, wenn, wie in den 6 und 7 dargestellt, der Oberseite der beweglichen Masse 10 eine weitere elektrische leitfähige Schicht 31 mit parasitären Kapazitäten und daraus resultierenden parasitären Kräften gegenüberliegt. Die weitere leitfähige Schicht ist als oberste Metallisierungsebene eines CMOS-Wafers (engl. complementary metal-oxide-semiconductor) bzw. ASICs 30 (engl. application-specific integrated circuit) ausgebildet, der als eine Verkappung auf einen MEMS 20 gebondet wurde, wie es zum Beispiel aus DE 10 2012 208032 A1 bekannt ist. Statt des ASICs 30 kann auch eine einfache Si-Sensorkappe mit geringem Abstand zur beweglichen Sensorstruktur oder eine Kappe mit einer oder mehreren Verdrahtungsebenen verwendet werden.
Während, wie in den 6 und 7 dargestellt, die Wechselwirkung der beweglichen Masse 10 mit den Leiterbahnflächen an der Unterseite drehmomentfrei realisiert werden kann (angedeutet in 7 durch identisch starke nach oben gerichtete Pfeile links und rechts der Torsionsachse 13), ist die Wechselwirkung an der Oberseite, also zwischen einer Siliziumschicht und der obersten Metallisierungsebene des ASICs 30, nicht drehmomentfrei, da die Wechselwirkungsflächen auf beiden Seiten der Torsionsfeder 13 nicht identisch sind (angedeutet durch unterschiedlich starke nach unten gerichtete Pfeile links und rechts der Torsionsachse 13 zur Schicht 31 des ASICs 30 hin).
Von der Grundtopologie der Anordnung ist man daher, was den Einfluss von Oberflächenpotentialen betrifft, auf die Situation der Anordnungen der 1 bis 3 zurückgeworfen. Anders ausgedrückt, bestehen auch für die fortgeschrittenen MEMS-Designs der 5 bis 7 Probleme bezüglich der Empfindlichkeit auf Differenzen von Oberflächenpotentialen, sobald eine leitfähige Verkappung in geringem Abstand zur Oberseite der MEMS-Struktur angeordnet ist.
Wenn die obere Metallisierungsebene 31 des ASICs 30 im Bereich der beweglichen Zusatzmasse auf Substratpotential CS gelegt wird, ergibt sich die grundsätzliche Situation wie in 8, in der ein auf Substratpotential CS liegender Bereich strichliert umrandet dargestellt ist.
Wird die gesamte Fläche unterhalb oder oberhalb der Sensorstruktur auf Substratpotential CS gelegt, ergibt sich eine Situation wie in 9 dargestellt. Bezüglich des Einflusses von Oberflächenpotentialen sind die Situationen von 8 und 9 nahezu äquivalent, da zumindest für kleine Auslenkungen der Sensorstruktur fast ausschließlich die Kräfte auf die bewegliche Zusatzmasse Z Offset-relevant und die Potentiale im Bereich der Nutzelektroden von stark untergeordneter Bedeutung sind.
Für eine quantitative Abschätzung der Kraftwirkung auf die z-Beschleunigungswippen müssen die wirksamen Drehmomente im Bereich der elektrisch nicht symmetrischen Flächen des Sensors 100 betrachtet werden. Die 8 bis 11 repräsentieren verschiedene herkömmliche Situationen, die bezüglich der wirksamen Drehmomente letztlich alle äquivalent sind. Entscheidend sind immer die Unterschiede in den Flächen und Hebelarmen auf beiden Seiten der Torsionsachse 13. Die symmetrischen Bereiche, zum Beispiel an den Detektionselektroden, können zumindest für kleine Auslenkungen der Sensorstruktur in guter Näherung bei der Betrachtung vernachlässigt werden.
Das wirksame Drehmoment aufgrund der elektrischen Asymmetrie der Wippe lässt sich durch folgende mathematische Beziehung approximieren: M = ½ × U_eff ² × dC/dα ≈ ½ × U_eff ² × C_asym/d₀ × R_asym (1) mit den Parametern:

U_eff: ... elektrische Effektivspannung zwischen beweglicher Struktur und der Leiterbahnebene
dC/dα: ... Kapazitätsänderung im Bereich der Zusatzmasse Z (bzw. allgemeiner im elektrisch nicht symmetrischen Bereich der Wippe)
C_asym: ... Kapazität im Bereich der Zusatzmasse Z (bzw. im elektrisch nicht symmetrischen Bereich
d₀: ... Abstand zwischen beweglicher Struktur und Leiterbahnebene
R_asym: ... Abstand des Schwerpunkts des elektrisch nicht symmetrischen Bereichs von der Torsionsachse

Sofern die Leiterbahnebene im elektrisch nicht symmetrischen Bereich auf CM-Potential gelegt wird, wie in der Anordnung von 3 erkennbar, ist U_eff durch die Oberflächenspannung U_Ofl gegeben. Wird dagegen die Leiterbahnebene im elektrisch nicht symmetrischen Bereich auf Substratpotential gelegt, gilt: U_eff = U_CM + U_Ofl (2)
Die Abhängigkeit des wirksamen Drehmoments bzw. des daraus resultierenden Offsets wurde bereits in 4 (elektrisch nicht symmetrischer Bereich auf CM-Potential) bzw. 12 (elektrisch nicht symmetrischer Bereich auf Substrat-Potential CS) gezeigt. Der erstgenannte Fall ist besonders günstig, wenn die Oberflächenspannungen bzw. -potentialunterschiede sehr klein sind, da geringfügige Änderungen der Oberflächenpotentiale kaum Auswirkung auf den Offset haben. Der zweitgenannte Fall ist besonders günstig, wenn die Oberflächenspannungen entgegengesetzt zur CM-Spannung sind (also im Beispiel von 12 bei einer CM-Spannung von 1 V gerade –1 V betragen).
Bei einer elektrischen Oberflächenspannung U_Ofl von beispielsweise –0,5 V sind dagegen die Anordnungen der 3, 4 und 8 bis 12 gleichermaßen ungünstig, da Änderungen der Oberflächenspannungen zu deutlichen Änderungen des Offsets Off führen können (endliche Steigung in den Kurven von 4 und 12 im Bereich U_Ofl = –0.5 V).
12 zeigt für die Anordnungen der 8 bis 11 die Abhängigkeit des Offsets (wiederum in beliebigen Einheiten) von der Oberflächenspannung U_Ofl. Hier wurde angenommen, dass das CM-Potential an der beweglichen Struktur auf eine elektrische Effektivspannung von 1 V gelegt wird. In diesem Fall wirkt aufgrund der Potentialdifferenz zwischen beweglicher Struktur und der auf Substratpotential CS gelegten Leiterbahnfläche 14 im Bereich der Zusatzmasse Z bereits bei einer Oberflächenspannung U_Ofl von Null eine starke parasitäre Kraft, und geringfügige Änderungen der Oberflächenspannung U_Ofl führen zu erheblichen Offsetdriften. Bei einer negativen Oberflächenspannung U_Ofl von –1 V verschwinden dagegen die parasitären Kräfte, und die Abhängigkeit des Offsets Off von Driften der Oberflächenspannung U_Ofl wird sehr klein.
Aufgrund der genannten Beobachtungen wird vorgeschlagen, ca. die Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs 14 unterhalb der Zusatzmasse Z auf CM-Potential und die andere Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs 14 unterhalb der Zusatzmasse auf Substrat-Potential CS zu legen, wie dies in 13 angedeutet ist. Bei betragsmäßig größeren negativen Oberflächenspannungen U_Ofl von z.B. –0,7 V wird der Flächenanteil des Leiterbahnbereichs 14 auf Substrat-Potential CS vergrößert, wie dies in 14 angedeutet ist.
Diese vorgeschlagene Partitionierung des unterhalb der Zusatzmasse Z angeordneten Leiterbahnbereichs 14 setzt eine gewisse Prozessstabilität bezüglich des Mittelwerts des Oberflächenpotentials voraus. Bei extremen Schwankungen des Niveaus des Oberflächenpotentials kann die vorgeschlagene Partitionierung stark an Wirksamkeit einbüßen.
Neben dem Flächenanteil müssen bei der Dimensionierung der Leiterbahnflächen auch mechanische Hebelverhältnisse berücksichtigt werden. In 15 ist erkennbar, dass die Bereiche auf CM-Potential und auf Substrat-Potential CS in etwa gleich groß sind, wobei jedoch der Leiterbahnbereich 14 auf CM-Potential aufgrund des größeren Abstands zur Torsionsachse 13 einen größeren Einfluss (etwa 60:40) aufweist. Die in 15 gezeigte Anordnung liefert daher eine optimale Kompensation nicht für eine Oberflächenspannung U_Ofl von –0,5 V, sondern eher für eine Oberflächenspannung U_Ofl von ca. –0,4 V.
16 zeigt den Verlauf des wirksamen Drehmoments bzw. des resultierenden Offsets (in beliebigen Einheiten) als Funktion der Oberflächenspannung U_Ofl für verschiedene Flächenanteile, die mit CM-Potential bzw. Substrat-Potential CS beaufschlagt werden. „0“ bedeutet, dass die gesamte elektrisch nicht symmetrische Leiterbahnfläche 14 auf Substrat-Potential CS gelegt wurde (entsprechend 12), während „1“ die Situation aus den 3 und 4 repräsentiert, wo die gesamte elektrisch nicht symmetrische Fläche auf CM-Potential gelegt wurde. Bei 0.4 ist entsprechend ca. 40 % der Leiterbahnfläche 14 auf Substrat-Potential CS und ca. 60 % auf CM-Potential gelegt.
Aus 16 ist erkennbar, dass für positive Oberflächenspannungen U_Ofl die Standardanordnung eines z-Beschleunigungssensors gemäß 3 am günstigsten ist, bei der die gesamte elektrisch nicht-symmetrische Fläche auf CM-Potential gelegt wird. Die entsprechende mit „1“ indizierte Kennlinie verläuft bei positiven elektrischen Oberflächenspannungen U_Ofl flacher als alle anderen Kurven.
17 zeigt die in 16 gezeigten Verläufe, aber in einem vergrößerten Ausschnitt, bei dem nur der Bereich von negativen Oberflächenspannungen U_Ofl von 0.0 V bis –1.0 V dargestellt ist. Hier ist deutlicher zu erkennen, dass es zu jedem negativen Wert der Oberflächenspannung U_Ofl eine besonders günstige Leiterbahnflächen-Partitionierung gibt, bei der die Kennlinie Off(U_Ofl) besonders flach verläuft, also die Auswirkung von Driften der Oberflächenspannung U_OFl bzw. der Oberflächenpotentialdifferenzen auf den Sensoroffset sehr gering sind. Die jeweils besonders flach verlaufenden Bereiche sind in 17 fett herausgehoben.
Für negative Oberflächenpotentiale, die betragsmäßig das CM-Potential übersteigen, ist die Anordnung von 9 am sinnvollsten, bei der die gesamte elektrisch nicht symmetrische Leiterbahnfläche unterhalb der Zusatzmasse Z auf Substrat-Potential CS gelegt wird. Nur im Zwischenbereich von Oberflächenpotentialen, also für Werte –U_CM < U_Ofl < 0 V ist die vorgeschlagene Partitionierung demnach gewinnbringend einsetzbar. Dies ist allerdings der Wertebereich, der in der Praxis sehr häufig auftritt und auch bei Anordnungen der 6 und 7 beobachtet wurde, bei der ein ASIC 30 als MEMS-Verkappung dient und Wechselwirkungen zwischen der obersten Metallisierungsebene 31 und der beweglichen MEMS-Struktur auftreten.
Es sei darauf hingewiesen, dass die erläuterte Elektrodenpartitionierung in getrennte Bereiche auf CM- und Substrat-Potential sowohl an der Unterseite als auch an der Oberseite der MEMS-Struktur angewandt werden kann. Die Oberflächenpotentiale an der Oberseite und der Unterseite der MEMS-Struktur sind im Allgemeinen auch nicht identisch, so dass es sinnvoll sein kann, im elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereich oberhalb der Sensorstruktur eine andere Partitionierung vorzunehmen als im elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereich unterhalb der Sensorstruktur.
24 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens:
In einem Schritt 200 wird ein Bereitstellen eines asymmetrisch ausgebildeten beweglichen Massenelements 10 durchgeführt, wobei gegenüber einer Zusatzmasse Z des Massenelements 10 ein Leiterbahnbereich 14 ausgebildet wird.
In einem Schritt 210 wird ein erster Teilbereich des Leiterbahnbereichs 14 mit einem definierten ersten elektrischen Potential beaufschlagt.
In einem Schritt 220 wird ein zweiter Teilbereich des Leiterbahnbereichs 14 mit einem definierten zweiten Potential beaufschlagt, wobei die Teilbereiche des Leiterbahnbereichs 14 mit derartigen Potentialen beaufschlagt werden, dass bei einer Änderung der Potentiale eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement und dem Leiterbahnbereich minimiert ist.
Als besonders vorteilhaft wird bei der vorliegenden Erfindung eine Reduktion der Empfindlichkeit eines z-Beschleunigungssensors auf Änderungen des Oberflächenpotentials auf Leiterbahnflächen, die der beweglichen MEMS-Struktur gegenüberstehen, gesehen. Diese Maßnahme kann vorteilhaft ohne einen Eingriff in eine elektronische Schaltung des z-Beschleunigungssensors erfolgen, und ist vorteilhaft auch für elektrisch asymmetrische Wippenanordnungen wirksam, insbesondere auch für Wippen, bei denen nicht nur an der Unterseite, sondern auch an der Oberseite der MEMS-Struktur eine leitfähige Oberfläche in geringem Abstand angeordnet ist.
Zu diesem Zweck ist eine Partitionierung von Leiterbahnflächen unter- bzw. oberhalb der beweglichen Zusatzmasse Z einer z-Beschleunigungssensorwippe in einem Teilbereich auf einem ersten Potential, vorzugsweise Mittelmassenpotential und einen Teilbereich auf einem zweiten Potential, vorzugsweise Substratpotential vorgesehen. Die genannte Flächenpartitionierung zwischen den beiden Bereichen wird dabei so gewählt, dass für einen typischen (prozessbedingten) Wert der Oberflächenpotentiale die Änderung des Offsets bei Änderung des Oberflächenpotentials sehr klein wird bzw. minimiert ist. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit des Offsets auf Ladungsdriften durch eine reine MEMS-Designmaßnahme ohne Aufwände in der elektronischen Auswerteschaltung reduziert werden. Vorzugsweise wird eine Partitionierung des Leiterbahnbereichs durchgeführt, die auf elektrischen Spannungsverhältnissen von Sensormustern basiert.
Die erfindungsgemäße Partitionierung ist besonders effizient einsetzbar für moderate negative elektrische Oberflächenspannungen, die also dem Mittelmassenpotential entgegenwirken, aber betragsmäßig kleiner sind als das Mittelmassenpotential.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0244581 [0002]
EP 0773443 B1 [0002]
DE 10350536 B3 [0005]
DE 102006057929 A1 [0005]
DE 102008040567 A1 [0005]
DE 102009000167 A1 [0006]
DE 102012208032 A1 [0007, 0035]

Claims

Mikromechanischer Sensor (100), aufweisend: – wenigstens ein bewegliches asymmetrisch ausgebildetes Massenelement (10); wobei – ein gegenüber einer Zusatzmasse (Z) des Massenelements (10) angeordneter Leiterbahnbereich (14) in Teilbereiche partitioniert ist; wobei – ein erster Teilbereich mit einem definierten dritten Potential (CM) beaufschlagt wird; wobei – ein zweiter Teilbereich mit einem definierten vierten Potential (CS) beaufschlagt wird; und wobei – die Partitionierung des Leiterbahnbereichs (14) derart ausgebildet ist, dass bei einer Änderung der Potentiale (CM, CS) eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement (10) und dem Leiterbahnbereich (14) minimiert ist.
Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Potential (CM) einem Potential des Massenelements (10) entspricht und wobei das vierte Potential (CS) einem Potential eines Substrats (1), auf dem der Leiterbahnbereich (14) angeordnet ist, entspricht.
Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberhalb und/oder ein unterhalb der Zusatzmasse (Z) angeordneter Leiterbahnbereich (14) partitioniert ist.
Mikromechanischer Sensor (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberhalb der Zusatzmasse (Z) und ein unterhalb der Zusatzmasse (Z) angeordneter Teilbereich mit unterschiedlichen Potentialen (CM, CS) beaufschlagt wird.
Mikromechanischer Sensor (100 nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ca. die Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs (14) unterhalb der Zusatzmasse Z auf Mittelmassen-Potential und die andere Hälfte des elektrisch nicht symmetrischen Leiterbahnbereichs (14) unterhalb der Zusatzmasse (Z) auf Substrat-Potential gelegt ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensors (200), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines asymmetrisch ausgebildeten beweglichen Massenelements (10), wobei gegenüber einer Zusatzmasse (Z) des Massenelements (10) ein Leiterbahnbereich (14) ausgebildet wird; – Beaufschlagen eines ersten Teilbereichs des Leiterbahnbereichs (14) mit einem definierten dritten Potential (CM); – Beaufschlagen eines zweiten Teilbereichs des Leiterbahnbereichs (14) mit einem definierten vierten Potential (CS), wobei die Teilbereiche des Leiterbahnbereichs (14) mit derartigen Potentialen (CM, CS) beaufschlagt werden, dass bei einer Änderung der Potentiale (CM, CS) eine Wechselwirkung zwischen dem Massenelement (10) und dem Leiterbahnbereich (14) minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Teilbereich mit einem Potential (CM) des Massenelements (10) beaufschlagt wird, wobei der zweite Teilbereich mit einem Potential eines Substrats (1), auf dem der Leiterbahnbereich (14) angeordnet ist, beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei wenigstens ein Teilbereich eines Leiterbahnbereichs (14) oberhalb der Zusatzmasse (Z) und/oder ein Teilbereich eines Leiterbahnbereichs (14) unterhalb der Zusatzmasse (Z) mit einem definierten Potential (CM, CS) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei wenigstens ein Teilbereich eines Leiterbahnbereichs (14) unterhalb der Zusatzmasse (Z) und ein Teilbereich eines Leiterbahnbereichs (14) oberhalb der Zusatzmasse (Z) mit jeweils unterschiedlichen Potentialen (CM, CS) beaufschlagt werden.